A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries

The battery of an electric vehicle consists of cells assembled into modules which in turn are assembled to create a battery pack. Most of these connections are permanent and are made using a welding process. However, due to the involvement of non-ferrous, inhomogeneous and multilayer materials, the...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Σαμπατακάκης, Κυριάκος
Other Authors: Sabatakakis, Kyriakos
Language:English
Published: 2022
Subjects:
Online Access:https://hdl.handle.net/10889/23932
id nemertes-10889-23932
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Battery assembly
Laser welding
Quality assessment
Machine learning
Cyber-physical system
Συναρμολόγηση μπαταριών
Συγκόλληση laser
Μηχανική μάθηση
Αξιολόγηση ποιότητας
Κυβερνοφυσικό σύστημα
spellingShingle Battery assembly
Laser welding
Quality assessment
Machine learning
Cyber-physical system
Συναρμολόγηση μπαταριών
Συγκόλληση laser
Μηχανική μάθηση
Αξιολόγηση ποιότητας
Κυβερνοφυσικό σύστημα
Σαμπατακάκης, Κυριάκος
A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
description The battery of an electric vehicle consists of cells assembled into modules which in turn are assembled to create a battery pack. Most of these connections are permanent and are made using a welding process. However, due to the involvement of non-ferrous, inhomogeneous and multilayer materials, the creation of welds with low electrical resistance, high strength and quality characteristics that can be reproduced with minimal deviation is a challenge. This fact combined with the assembly process, in which the interconnection of tens or even hundreds of cells take place, makes the existence even of a single joint that is out-of-spec, crucial for the safe and efficient operation of the battery, but also for its longevity. This fact makes quality inspection of every joint necessary, which cannot be achieved by using sample-based destructive or non-destructive methods. And while the scientific community has developed and described solutions and approaches for non-destructive real-time inspection and assessment in welding a very small amount of them concerns battery assembling applications and in general the welding of non-ferrous dissimilar metals. On the other hand, none of these studies yet has addressed the issue of inspecting or assessing the electrical quality of the joints. In this study based on the design practices of Cyber-Physical systems a novel quality assessment approach for the assembly of batteries in terms of electrical and mechanical quality is developed in the context of the Laser welding of aluminum and copper battery tabs. The assessment approach is based on infrared vision data using machine learning. The classification accuracy for the electrical and mechanical quality of the welds on the training and test data was set at 100% under specific conditions.
author2 Sabatakakis, Kyriakos
author_facet Sabatakakis, Kyriakos
Σαμπατακάκης, Κυριάκος
author Σαμπατακάκης, Κυριάκος
author_sort Σαμπατακάκης, Κυριάκος
title A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
title_short A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
title_full A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
title_fullStr A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
title_full_unstemmed A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
title_sort cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23932
work_keys_str_mv AT sampatakakēskyriakos acyberphysicalsystemforqualityassessmentinweldingelectricvehiclebatteries
AT sampatakakēskyriakos kybernophysikosystēmaaxiologēsēspoiotētasestiasmenosediergasiessynkollēsēssyssōreutōnēlektrikōnochēmatōn
AT sampatakakēskyriakos cyberphysicalsystemforqualityassessmentinweldingelectricvehiclebatteries
_version_ 1771297191941373952
spelling nemertes-10889-239322022-11-15T04:35:11Z A cyber-physical system for quality assessment in welding electric vehicle batteries Κυβερνοφυσικό σύστημα αξιολόγησης ποιότητας εστιασμένο σε διεργασίες συγκόλλησης συσσωρευτών ηλεκτρικών οχημάτων Σαμπατακάκης, Κυριάκος Sabatakakis, Kyriakos Battery assembly Laser welding Quality assessment Machine learning Cyber-physical system Συναρμολόγηση μπαταριών Συγκόλληση laser Μηχανική μάθηση Αξιολόγηση ποιότητας Κυβερνοφυσικό σύστημα The battery of an electric vehicle consists of cells assembled into modules which in turn are assembled to create a battery pack. Most of these connections are permanent and are made using a welding process. However, due to the involvement of non-ferrous, inhomogeneous and multilayer materials, the creation of welds with low electrical resistance, high strength and quality characteristics that can be reproduced with minimal deviation is a challenge. This fact combined with the assembly process, in which the interconnection of tens or even hundreds of cells take place, makes the existence even of a single joint that is out-of-spec, crucial for the safe and efficient operation of the battery, but also for its longevity. This fact makes quality inspection of every joint necessary, which cannot be achieved by using sample-based destructive or non-destructive methods. And while the scientific community has developed and described solutions and approaches for non-destructive real-time inspection and assessment in welding a very small amount of them concerns battery assembling applications and in general the welding of non-ferrous dissimilar metals. On the other hand, none of these studies yet has addressed the issue of inspecting or assessing the electrical quality of the joints. In this study based on the design practices of Cyber-Physical systems a novel quality assessment approach for the assembly of batteries in terms of electrical and mechanical quality is developed in the context of the Laser welding of aluminum and copper battery tabs. The assessment approach is based on infrared vision data using machine learning. The classification accuracy for the electrical and mechanical quality of the welds on the training and test data was set at 100% under specific conditions. Η μπαταρία ενός ηλεκτρικού οχήματος αποτελείται από κελιά συναρμολογημένα σε μονάδες πολλών οι οποίες με την σειρά τους συναρμολογούνται για να δημιουργήσουν ένα πακέτο μπαταρίας. Στην πλειονότητά τους οι συναρμογές αυτές έχουν μόνιμο χαρακτήρα και πραγματοποιούνται μέσω διεργασιών συγκόλλησης. Ωστόσο εξαιτίας της εμπλοκής μη σιδηρούχων και ανομοιογενών υλικών και την ύπαρξη πολλών στρωμάτων, η δημιουργία συγκολλήσεων με χαμηλή ηλεκτρική αντίσταση, υψηλή αντοχή και ποιοτικών χαρακτηριστικών γενικότερα, τα οποία μπορούν να αναπαραχθούν με την ελάχιστη απόκλιση αποτελεί πρόκληση. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με συναρμολόγηση των μπαταριών κατά την οποία η διασύνδεση δεκάδων ή ακόμα και εκατοντάδων κελιών πραγματοποιείται, καθιστά την ύπαρξη ακόμη και μιας συγκόλλησης εκτός σχεδιαστικών προδιαγραφών, κρίσιμή για την ασφαλή και αποδοτική και λειτουργεία της μπαταρίας αλλά και για την μακροβιότητα της. Η εν λόγω κατάσταση καθιστά τον ποιοτικό έλεγχο κάθε συγκόλλησης απαραίτητο, γεγονός το οποίο αφενός δεν μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση καταστροφικών μεθόδων αλλά ούτε και με την χρήση μη καταστροφικών δειγματοληπτικών μεθόδων. Η επιστημονική κοινότητα καθ’ ότι έχει αναπτύξει και περιγράψει λύσεις και προσεγγίσεις για την μη καταστροφική αξιολόγηση συγκολλήσεων σε πραγματικό χρόνο, ελάχιστες εξ αυτών αφορούν εφαρμογές συναρμολόγησης μπαταριών η την συγκόλληση μη σιδηρούχων ανόμοιων μετάλλων, ενώ καμία εξ αυτών δεν έχει καταπιαστεί την ηλεκτρική ποιότητα των συγκολλήσεων. Στην παρούσα μελέτη βάσει των πρακτικών σχεδιασμού κυβερνο-φυσικών συστημάτων ένα σύστημα αξιολόγησης ποιότητας συγκολλήσεων για την συναρμολόγηση μπαταριών όσων αφορά την ηλεκτρική και μηχανική τους ποιότητα αναπτύσσεται στα πλαίσια μιας διεργασίας συγκόλλησης Laser ακροδεκτών αλουμίνιού και χαλκού κελιών μπαταριών. Η μεθοδολογία αξιολόγησης συστημάτων βασίζεται στην κατηγοριοποίηση δεδομένων υπέρυθρής όρασης μέσω της χρήση μοντέλων μηχανικής μάθησης. Η ακρίβεια πρόβλεψης της ηλεκτρικής και μηχανικής ποιότητας των συγκολλήσεων επί του συνόλου των δεδομένων εκπαίδευσης και δοκιμής διαμορφώθηκε στο 100% υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις. 2022-11-14T12:18:52Z 2022-11-14T12:18:52Z 2022-06-28 https://hdl.handle.net/10889/23932 en application/pdf